一种实现扩展光源照明系统自动优化的方法
【技术领域】：
[0001] 本发明属于非成像照明领域，具体涉及一种基于大面型的扩展光源照明系统的自 动优化设计方法。
【背景技术】：
[0002] 近年来，LED扩展光源由于其色度均匀、高功率、低功耗等优点，在家居以及公共照 明领域被广泛地应用。但由于扩展光源属于一种大面型的器件，基于点光源的传统设计方 法已不适用于扩展光源系统。因此，进行扩展光源照明系统（紧凑型照明系统）设计方法 的研究，逐渐成为了照明领域新的热点。
[0003]目前，扩展光源照明系统的设计方法大体分为直接设计法与优化设计法两大类。 直接设计法包括SMS同步多曲面法、步进法等，一般通过特殊方法建立扩展源与目标面的 映射，进而衍生照明系统表面结构，但此类方法确立能量映射关系比较繁琐，不利于快速设 计，而且，此类方法会因为光源的形状、色温、配光曲线等不同，很难构造合适的照明系统。 优化设计法一般基于点光源模型进行迭代优化，方法较简便。如通过迭代重叠法将多个点 光源透镜自由曲面重叠形成扩展光源透镜自由曲面，虽然方法较简便且有可操作性，但优 化后仿真效果一般。同时，以上两种类型的设计法都存在软件间数据传输繁琐的问题，具体 地，如三维建模软件、光学仿真软件及数值分析软件之间无法建立实时数据传输的问题，导 致了设计者需要多次手动采集数据，大大增加了工作量。
[0004] 鉴于上述情况，目前，针对扩展光源照明系统的设计方法还有许多问题，为此，本 发明提出一种普适性较强的扩展照明系统优化设计方法，旨在解决上述扩展光源照明系统 设计时，存在的一个或者多个问题。
【发明内容】
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[0005] 本发明公开一种实现扩展光源照明系统自动优化的方法，所采用的整体技术方案 如下：
[0006] -般地，经优化后的扩展光源照明系统的轮廓都会比点光源的稍大，且轮廓改变 量相对系统整体较小，因此，直接对系统轮廓进行微调，使其适用于扩展光源的方法更为简 便；针对扩展光源系统与点光源系统的相似性，通过Matlab控制相关算法产生初始轮廓优 化参量后，再由DDE(DynamicDataExchange)通信将参量信息传输至TracePro中进行仿 真，并将仿真结果回传至Matlab中进行相应处理；具体地，由Matlab所控制地人工智能算 法进行全局优化，快速地使初始照明系统轮廓收敛至扩展光源系统轮廓处。
[0007] 此种方法可使紧凑型照明系统的设计大大简化，同时也避免直接设计法带来的弊 端。
[0008] 本发明提出的一种实现扩展光源照明系统自动优化的方法，其特征在于，所述主 要设计步骤，如下：
[0009] (1)确立初始模型
[0010] 在点光源近似条件下，利用目前比较常用的网格划分法，通过Matlab软件快速计 算出初始照明系统表面？1数据点，其中i= 0, 1，...，I。
[0011] (2)确定合适的优化轮廓点
[0012] 假设对全部Pi进行坐标调整，会由于变量过多（I一般大于500)，使优化时间呈 指数上升。因此，需根据所用光源的特性，少量选取合适的优化轮廓点m, (X]，Z])，其中j= 〇，1，? ? ?，J〇
[0013] (3)加入优化调整参量
[0014] 将所选轮廓点nij的横纵坐标分别加入优化参量5进行调整，设调整后的轮廓坐 标为Mj (x.j+ A X」，z.j+ A Z.)。
[0015] (4)优化模型的导入
[0016] 优选的特定调整坐标Mj，可通过DDE接口技术，由Matlab传输至TracePro中，再 利用TracePro宏语言（Scheme)对％进行放样、旋转实现照明系统模型直接输入。同时， 选取相应扩展光源、目标面模型加入系统中。
[0017] (5)建立评价函
[0018] 光线追迹后，通过DDE通信将TracePro中目标面的均匀度U、光效n传输至 Matlab中，建立目标评价函数MF，式中权重2]且《2。
[0019]MF= 2- (〇! ?U+〇2 ?n)
[0020] (6)人工智能算法的加入
[0021] 由上步骤可以看出，目标评价函数fitness的大小与优化参量S有关，并且评价 函数越小，则越接近所需的照明效果。因此，求解扩展光源系统轮廓的问题就转化为寻找目 标函数最小值的问题。而搜寻最小值的问题可通过一些常用的人工智能算法对优化参量S 进行快速全局求解。迭代多次后，得到的合适坐标调整量S(优化参量）通过相应程序就 可生成所需的扩展光源照明系统。
[0022] 本发明提出的扩展光源照明系统优化方法，其特征在于，所述照明系统的结构，可 以是旋转对称的透镜、反光杯或两者的组合，也可是其他具有旋转对称构造的系统。特别 地，部分非旋转对称的结构，也可以借鉴于此。
[0023] 本发明提出的扩展光源照明系统优化方法，其特征在于，所述基于DDE接口技术 的进程通信，具体表述如下：DDE(DynamicDataExchange)通信是Windows支持的几种常 用通信机制之一，可建立客户机/服务器关系的通讯机制。当Matlab作为客户机时，通 过DDE函数对TracePro服务器进行相应控制。而TracePro作为服务器，通过客户机调用 TracePro宏语言（Scheme)对其本身进行控制，交互地，实现自动联用优化。其主要使用的 DDE函数命令有：
[0024]①channel=ddeinit(，TracePro,，，Scheme，）命令可建立Matlab与TracePro 的进程通信。
[0025]②ddeexec(，channel，，，schemecommand，）命令可向DDE服务器发送TracePro 宏语言执行命令；
[0026]③ddereq(' channel'，'command'）命令可从DDE服务器请求数据。
[0027]④ddpoke('channel'，'Matlab data'）命令可向DDE服务器发送数据。
[0028] 而所述TracePro宏语言（Scheme)是一种基于ACIS为核心的函数式编程语言，可 以通过相关程序实现照明系统的二次开发，但有很大的局限性。其基本功能有三维模型的 输入、照明系统的光线追迹等。
[0029] 本发明提出的扩展光源照明系统优化方法，其特征在于，所述对优化轮廓点进行 放样的方法，可以是三次样条插值曲线（cubic-spline)、b样条曲线（b-spline)、连续样条 (spline)等曲线放样方法。
[0030] 本发明提出的扩展光源照明系统优化方法，其特征在于，所使用的扩展光源，可以 是C0B型LED、阵列型LED、钠光灯、卤素灯和金卤灯等一种，也可以是各灯的两种及多种组 合。
[0031] 本发明提出的扩展光源照明系统优化方法，其特征在于，所使用的人工智能算法， 可以是基本粒子群算法、基本遗传算法、粒子群改良算法及遗传改良算法，以及一切可对多 参量进行全局求解的智能算法。
[0032] 本发明所提出的是一种普适性较强的自动优化方法，主要适用于在进行二次配光 设计时，不能简单的把扩展光源视作点源处理的情况。具体地，可针对匀照度系统及光线准 直系统进行设计。并且，不同照明系统使用相对应的目标评价函数，匀照度系统可采用 为2、《2为〇;光线准直系统可采用《iSLco2为2。上述权重设置为举例说明，本发明所 述权重Wl、《2的设置方案不限于此。
[0033] 并且，本发明相比当前技术具有一下几个优点：
[0034] 1、本发明提出通过DDE接口技术，在Matlab与TracePro间建立信息交换机制，解 决了软件间数据传输受限或繁琐的问题。
[0035] 2、本发明通过DDE通信机制，将TracePro的光线追迹功能与Matlab的信息处理 功能有机地结合在一起，达到程序简化设计的目的。
[0036] 3、本发明采用简易的优化模型，直接针对系统表面进行微调，避免了直接设计法 带来的若干问题。
[0037] 4、本发明具有较强的普适性，可针对光源的不同形状、色温、配光曲线快速实现多 种照明结构的自动设计。
【附图说明】
[0038] 以下通过附图对本发明所提出的扩展光源照明系统自动优化方法做进一步详细 的描述：
[0039] 图1是基于DDE通信的技术方案框图；
[0040] 图2是单透镜照明系统实例的具体参数示意图；
[0041] 图3是照明系统轮廓优化点选取示意图；
[0042] 图4是照明系统结构优化示意图；
[0043] 图5是基本P0S算法优化前的透镜模型图；
[0044] 图6是基本P0S算法优化后的透镜模型图；
[0045] 图7是优化前后的照明系统照度曲线对比图；
[0046] 图8是优化后TracePro仿真照度分布图。
[0047] 图中：1_LED扩展光源，2-单透镜，3-目标面，21-初始照明系统表面，22-扩展光 源照明系统表面，23-调整照明系统轮廓